5G与卫星网络融合演进研究

尼凌飞，胡博，王辰，谷尚铭，孟萌，张剑寅

（1.中国移动通信有限公司研究院，北京 100053；2.北京邮电大学，北京 100876）

0 引言

5G网络面向eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency C ommunica tion s，超可靠和低延迟通信）和mM TC（massive Machine Type Communication，大规模机器类型通信）等三大类应用场景，相比4G网络在上下行带宽上有了较大的提升，同时采用基于流的端到端QoS（Quality of Service，服务质量）机制，对服务质量保障也做了较大的改进。此外，5G网络将SBA（Servicebased Architecture，基于服务的架构）作为网络部署的主要架构，遵循3GPP标准，在引入服务化的基础上支持边缘计算、切片等新技术，更易于面向ToB用户提供通信服务，已广泛而深刻地影响社会的生产和生活，成为地面通信发展部署的主要网络。

从1957年10月4日第一颗人造卫星成功发射起，经过数十年的发展，卫星通信网络已遍布全球。卫星通信具有广覆盖以及不受地理条件限制的特点。对于海洋、森林、沙漠、极地和高山等5G网络难以部署或5G网络部署成本高的区域，借助卫星网络可以弥补5G网络的覆盖不足，尤其近年来以Starlink为代表的低轨宽带卫星技术的发展，低轨卫星网络通信技术在带宽和时延等方面已与5G移动通信具备了互补能力。因此，卫星网络与5G网络互为补充、相辅相成，共同构建覆盖全球的融合网络已成为通信网络发展的重要趋势。

3GPP和ITU等国际标准化组织正在推进卫星与5G的融合。3GPP将卫星网络划入NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面网络）范畴，在R15明确将支持卫星接入作为5G系统需求；在R16对NR支持NTN解决方案进行SI立项，输出TR 38.821，明确了透明接入、DU上星和NR上星三种卫星接入5G系统的架构；在R17针对卫星接入对核心网的影响问题及解决方案进行研究和评估，输出TR 23.737，并将相关成熟研究结果推进标准TS 23.501中；R18正在对卫星接入多连接、核心网上星和星上边缘计算等卫星与5G的融合增强特性进行研究，深入推动5G与卫星网络融合演进。

国际电信联盟无线电通信组[1]于2019年发布报告“将卫星系统集成到下一代接入技术的关键要素”，提出了5G网络融合卫星网络的4种应用场景（如图1所示），包括中继到站、小区回传、动中通、混合多播场景。报告明确了卫星通信支持以上4种场景所具备的多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、延时、一致的服务质量QoS、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）/SDN（Software Defined Networks，软件定义网络）兼容、商业模式的灵活性等关键特性。国际电信联盟标准化部门[2]SG13从2020年开展5G网络融合卫星网络的标准化工作以来，国内外已有多家单位参与了该项研究，研究工作包括融合网络的整体需求、架构、用例以及关键技术等。此外，ITU也积极推进关于卫星与5G在频率使用方面的工作。在世界无线电通信大会上，明确了在6—84 GHz范围内需探索5G新的可用频率，为此需开展一系列关于卫星与5G的频谱共用与电磁兼容性分析。

图1 5G网络融合卫星网络的4种应用场景

1 5G与卫星网络融合场景分析

卫星通信在覆盖、可靠性、灵活性等方面可以弥补地面移动通信的不足[3]，5G与卫星网络融合能够为用户提供更可靠的服务体验，降低运营商网络部署成本。3GPP[4]从R14开始开展星地融合的研究工作，在2017年底发布的技术报告22.822中，3GPP定义了在5G中使用卫星接入的三大类用例：连续服务、泛在服务和扩展服务，并针对5G与卫星网络的功能需求进行分析，介绍了12种功能需求及其对应的使用场景示例。面向5G与卫星网络融合，上述场景可归纳为如下四类。

（1）无地面网络部署区域场景

在海洋、山区、沙漠等地理区域，由于基站架设困难，地面网络几乎不存在，因此卫星可以作为地面网络的补充和延伸。在远洋运输中，为了实现集装箱的全过程监控，可以在每个集装箱上安装具备卫星接入、网络重选择功能的用户终端。在地震、洪水、战争等突发事件导致地面网络临时中断或整体毁灭的情况下，卫星与5G融合网络可以为用户提供卫星接入服务。

（2）地面网络连接密度低区域场景

在人烟稀少、地面基站数量有限的区域，卫星与5G融合网络可以为那些缺乏地面基础设施的用户提供网络接入服务。卫星网络通过对地面基站网络进行“补盲”，可以为处于偏远地区的用户提供连续的5G接入服务。

（3）地面网络连接速率低区域场景

在偏远村庄、偏远居民点、生态区、小岛等区域，地面网络连接速率低，不能满足用户和通信服务的要求。5G与卫星网络的融合可促进上述场景用户服务的提供，并且增强用户服务质量。

（4）无本运营商地面网络区域场景

在无本地运营商地面网络的场景下，为了保证运营商之间的国内漫游、运营商之间的国际漫游和国际通信业务提供，5G与卫星网络的融合可以满足相关要求，增强用户服务质量。

2 5G与卫星网络融合演进架构

2.1 演进阶段分析

如上节所述，卫星与5G网络在无地面网络部署、地面网络连接密度低、地面网络连接速率低和无本运营商地面网络等区域存在较强的融合应用场景需求，但目前卫星通信网络与5G通信网络相互独立，各自采用不同的组网架构和协议体制，卫星与5G网络的融合难以一蹴而就。要实现卫星与5G网络的融合演进，构建天地一体化的通信网络，满足融合应用场景需求，将融合演进划分为初期、中期和远期三个阶段。

在演进初期阶段，主要采用卫星网络与5G网络互联互通的方式，通过互通网关屏蔽网络差异和实现网络协议转换，以降低对卫星网络的改造难度，减少对5G网络的改造影响，较快实现卫星通信与5G通信的业务互通。

在演进中期阶段，卫星网络作为5G的接入网络，统一接入基于SBA的5G核心网，支持多连接终端通过卫星接入或地面基站接入5G网络，使用不断迭代更新的5G丰富业务。

在演进远期阶段，5G核心网部分网元和边缘计算平台上星，在卫星网络提供用户面数据处理功能和边缘计算业务，实现业务不落地，降低通信时延并保障业务安全性。考虑到卫星载荷的有限性以及软件定义卫星技术的发展成熟情况，需要对上星网元和平台的功能进行轻量化裁剪，并结合卫星通信高延迟、高误码率和易丢包特点进行定制化增强。

2.2 演进阶段架构

（1）演进初期架构

5G与卫星网络演进初期阶段的组网架构如图2所示。

图2 演进初期阶段组网架构图

在初期阶段，通过互通网关实现卫星网络与5G网络的互联互通。为支持卫星终端与5G终端之间的语音、消息和数据业务互通，互通网关需要提供卫星网络与5G网络之间的鉴权认证、协议转换适配、码号标识映射和编解码转换等功能。

互通网关与卫星网络之间使用卫星网络协议。目前卫星网络多使用私有协议，标准协议主要为CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems，空间数据系统咨询委员会）定义的协议体系，为降低网关对接卫星网络的协议复杂度和适配难度，建议作为互通网关与卫星网络之间的接口协议基础。

互通网关与5G核心网之间遵循3GPP[5]定义的N6接口，实现数据业务的互通。互通网关与IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统）之间使用遵循3GPP定义的Mx和Mb接口，实现语音和IP短消息业务的互通。

（2）演进中期架构

5G与卫星网络融合演进中期阶段的组网架构如图3所示。

图3 演进中期阶段组网架构图

在中期阶段，卫星网络演进为5G的接入网，与地面5G接入网统一接入地面5G核心网，支持多接入终端通过卫星接入或地面5G接入来使用5G网络服务。

对于卫星网络为非3GPP接入且处于非信任域的，网关提供N3IWF（Non-3GPP Interworking Function，非3GPP互通功能）；对于卫星网络为非3GPP接入且处于信任域的，网关提供TNGF（Trusted Non-3GPP Gateway Function，受信任的非3GPP网关功能），转换为遵循3GPP标准的接口接入5G核心网。

为降低接入管理的复杂度以及转换带来的处理开销，结合3GPP[6]标准的发展演进将卫星网络作为3GPP接入，采用gNB（next Generation Node B，下一代无线基站）上星方式，通过NTN网关使用3GPP标准的N2和N3接口与5G核心网相连。

（3）演进远期架构

5G与卫星网络融合演进远期阶段的组网架构如图4所示。

图4 演进远期阶段组网架构图

在远期阶段，卫星与5G网络实现融合，融合网络由天基5G接入网、天基5G核心网、天基MEC（Multiaccess Edge Computing，多接入边缘计算）平台及应用、地基5G接入网和地基5G核心网等组成。

天基5G接入网通过N2接口与地基5G核心网相连，并根据接收的地基5G核心网指示，使用N3接口将本地用户面数据路由到天基5G核心网。

天基5G核心网包括UPF（User Plane Function，用户面功能）网元，通过N6接口与天基MEC平台相连，实现星上本地用户面数据的路由转发和处理。天基5G核心网通过N4接口与地基5G核心网相连，接收N4会话管理指令并进行处理。

地基5G核心网支持对天基5G接入网和地基5G接入网进行统一接入管理和控制，支持与天基5G核心网协同实现用户面数据的就近分流和处理。

3 5G与卫星网络融合演进关键技术

3.1 各融合演进阶段对5G核心网影响及挑战

在融合演进初期阶段，通过互通网关屏蔽了卫星网络与5G网络的组网和协议差异，对5G核心网影响较小。其中5G核心网基于现有的数据路由转发机制，能够满足与卫星网络互通业务需求。

在融合演进中期阶段，卫星网络作为5G接入网，基于gNB上星方式，通过NTN网关使用N2和N3接口接入5G核心网网元AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）和UPF，由5G核心网实现统一的管理和控制处理。该阶段中，卫星特有的通信特征将对5G核心网带来新的影响和挑战。

首先，卫星高延迟的通信特征对有连接的通信协议支持差，导致AMF与星上gNB之间使用的SCTP协议通信性能下降大，需要通过通信协议优化来进行性能提升。同时在AMF和SMF上还需针对卫星接入调整T3510、T3517、T3580、T3581和T3582等定时器，以避免因信令延迟导致注册和建立PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话失败。

其次，NGSO（Non-GeoStationary Orbit，非对地静止轨道）卫星，尤其是低轨卫星移动性强，平均过顶通信时长在15～20分钟，在gNB上星方式下，由于终端上方的卫星基站不断切换，导致终端频繁在消失的服务位置区和接替出现的新服务位置区进行重选，通过新的星上gNB接入地面5G核心网网元AMF进行位置更新，同时，卫星移动和卫星间的切换也对5G核心网网元AMF的移动性管理提出了挑战，需要结合星历对移动性管理机制进行增强。

最后，中期阶段将同时存在卫星5G接入和地面5G接入。当终端如车载终端从地面5G覆盖区域进入到无地面5G覆盖仅有卫星覆盖的区域，或者从卫星覆盖区域进入到地面5G覆盖区域时，对于终端和网络正在进行的通信业务，因为接入网络的变化会产生影响，需要5G核心网、接入网和终端协同以保障业务的连续性。

在融合演进远期阶段，UPF等核心网网元将上星构建天基核心网。考虑卫星载荷的有限性，需要对上星的核心网网元进行轻量级裁剪和定制以满足星上载荷要求。同时，天基核心网与地基核心网之间交互，例如地基核心网网元SMF对天基核心网网元UPF的选择，天基核心网网元UPF上报事件信息到地基核心网网元SMF，以及天基核心网网元UPF与地基核心网网元UPF建立连接等，天基核心网与地基核心网之间如何高可靠、低时延和轻量级协同以保障通信业务不受影响，对5G核心网也提出了新的挑战。

应对这些影响和挑战，5G与卫星网络融合演进需要使用到通信协议优化、移动性管理、业务连续性保障、QoS控制以及UPF和MEP上星等关键技术。

3.2 通信协议优化

5 G 与卫星融合的通信协议优化包含T C P（Transmission Control Protocol，传输控制协议）加速，由于TCP性能在卫星链路上提升有限，较长的传播延迟和拥塞控制特性以及TCP的慢启动机制使TCP的性能受到限制。基于此，CCSDS为克服空间通信大时延、低信噪比、强多普勒频移与高动态等难题，对地面成熟的TCP/IP协议进行适应性改进，提出了以SCPS（Space Communication Protocol Specification，空间通信协议规范）-TP（Transport Protocol，传输协议）为核心的关键传输体制设计，通过简化连接管理、乱序、重传机制，以及报文头部压缩，以低开销实现端到端可靠传输。

5G与卫星融合的TCP加速能够克服卫星网络长延时、高误码对TCP协议带来的影响，通常采用算法改进、零窗口停发、反向ACK过滤和误码容忍控制机制等空间传输层增强手段实现。TCP性能增强代理模式以及SCPSTP性能增强代理模式中，路由转发模式下可靠传输代理不进行分段，通过路由功能转发数据报文。TCP性能增强代理模式下，将端到端TCP连接分为三段TCP连接，并采用TCP协议的主要机制对地面网络和卫星网络之间的分段连接进行性能增强（如图5所示）。SCPS-TP性能增强代理将端到端TCP连接分为TCP连接和SCPS-TP连接（如图6所示），并采用SCPS-TP协议的改进机制对地面网络和卫星网络之间的分段连接进行性能增强。

图5 TCP性能增强代理模式

图6 SCPS-TP性能增强代理模式

3.3 移动性管理

卫星网络的位置区设计研究的主要目的是降低用户位置管理中的开销，可以分为静态的位置区设计和动态的位置区设计。静态位置区划分主要分为以下四种：基于卫星的覆盖范围、基于信关站的覆盖范围、基于卫星和信关站相结合的覆盖范围、基于用户所在地理位置。动态位置区设计根据用户移动时的各种特性、用户的呼叫类型以及用户发起位置更新操作等，可以分为以下四种：基于移动的动态位置区更新、基于时间的动态位置区更新、基于移动和时间相结合的动态位置区更新、基于距离的动态位置区更新。

根据3GPP发布的卫星的移动性管理存在的关键问题，5G与卫星网络融合的移动性管理还存在以下三类问题。一、广卫星覆盖区域的移动性管理：卫星网络由于其广覆盖特性，卫星小区可能跨越多个国家或地球的大部分，其覆盖范围远超5G移动性管理系统所设计的接入网覆盖范围，因此，5G与卫星网络融合将会引发较大的卫星覆盖区域内如何处理终端的寻呼、卫星覆盖区与5G系统跟踪/注册区的关系、卫星和地面接入之间的空闲/连接模式下移动性如何执行等问题。针对此问题，3GPP提出基于位置和固定的注册区域卫星接入、用于具有大型或移动无线电覆盖的5G卫星接入的解决方案，两个方案都能减少卫星覆盖区域的移动性管理问题。二、移动卫星覆盖区域的移动性管理：若gNB位于非对地静止卫星，则连接的小区和注册区域将与相应的gNB一起移动，相应的地理覆盖范围、小区、注册区域等概念可能需要重新定义；gNB的移动也可能会对与地理区域相关的功能产生一些影响，例如授权、计费等；除此之外，还存在卫星和地面接入之间的空闲/连接模式移动性如何执行等问题。针对此类问题，3GPP提出了减少来自NGSO卫星小区终端的移动性注册更新信令，从而解决移动卫星覆盖区域的移动性管理问题。三、基于NGSO再生卫星接入RAN（Radio Access Network，无线接入网）的移动性管理。在NGSO卫星上启用RAN意味着RAN对任何相连5G核心网的频繁切换。由于NGSO卫星的覆盖范围很大，大量终端可以同时从一个RAN切换到另一个RAN，从而导致锚点为RAN和核心网的组切换。针对此问题，3GPP提出的解决方案与广卫星覆盖区域的移动性管理解决方案一致。此外，3GPP还提出了非对地静止卫星接入的空闲模式移动性流程、卫星和地面PLMN（Public Land Mobile Network，公共陆地移动网）之间的漫游和移动性架构等方案。

3.4 业务连续性保障

5G和卫星融合网络能够提供卫星网络与地面网络相互补充、协议增进的全覆盖网络，需要支持在切换下为多连接终端用户提供不中断的通信服务。考虑到卫星网络通信能力受限、通信资源受限、强对地移动性和高动态网络拓扑等特点，地面网络现有切换技术无法在5G与卫星融合网络中直接复用，因此研究5G与卫星融合网络切换下业务连续性的保障具有重要意义。

5G和卫星融合网络系统中的切换包括两类：一是卫星网络中不同卫星间或相同卫星不同波束间的切换，二是地面网络与卫星网络间的切换。由于卫星与多连接终端均可能发生快速移动，由此带来的频繁切换容易引发呼叫阻塞、通信质量下降、资源浪费等问题。根据当前研究，5G和卫星融合网络中的切换可基于星历信息进行预切换，或者可根据对于信号强度、网络负载、通信链路质量优劣等影响因素的测量触发切换。

在快速切换过程中，保证用户的业务连续性是融合网络切换策略的核心。对于第一类切换中相同卫星不同波束间的切换，通过使用NTN无线技术保障同一星上gNB内切换的业务连续性，不同卫星间的切换基于星历信息以及切换卫星与地面核心网的连接预建立，从而减少切换时延，保障了业务连续性。对于第二类切换，通过在切换前由核心网网元发起与目的无线接入网元的连接，从而在切换时通过激活连接来减少切换保障业务连续性。

3.5 QoS控制

卫星通信相较于地面通信，具有高延迟和带宽速率受限的特征，同时受空间电磁辐射干扰和气候（如大雨）影响等，通信质量呈动态变化，难以直接复用地面5G网络的QoS策略来进行保障控制。

在卫星网络中，卫星的轨道参数与卫星类型有关，在星上gNB与地面核心网AMF网元建立连接时通过N2接口将卫星类型作为卫星接入类型上报到核心网。在建立PDU会话时，核心网根据卫星接入类型下发对应卫星的5QI（5G QoS Identifier，5G QoS标识）等策略参数用于QoS保障控制，目前3GPP[7]标准定义10作为卫星接入下的5QI参数取值。针对GEO、MEO和LEO对应轨道高度和带宽资源的不同，可进一步细化定义5QI用于不同卫星接入类型下的QoS保障控制。

针对经过卫星接入网络建立的PDU会话，通过在卫星接入地面核心网的网关和UPF增强针对用户面通信的QoS监测功能，并将监测结果使用服务化的能力开放接口上报到5G核心网网元PCF（Policy Control Function，策略控制功能），PCF根据上报的监测结果进行QoS策略的更新下发以应对卫星通信质量的变化。并且卫星终端和网络配合，结合RQI（Reflective QoS Indication，反射QoS指示）使用5G网络的反射QoS控制功能（如图7所示），动态调整速率以适应卫星通信质量多变的情形。

图7 QoS控制技术图

3.6 UPF和MEP上星

在5G核心网中，UPF是用户面业务数据处理的重要网元，MEP通过Mp2接口与UPF相连，提供边缘节点的算力服务。UPF和MEP上星不仅有利于构建天基核心网，向未来天地一体化的泛在算力网络演进，并且在MEP上部署边缘应用，有利于星上用户面数据业务的本地处理，减少对通过卫星与地面站之间星地链路支持用户面业务数据传送的依赖。

考虑卫星载荷的有限性，将完整UPF网元功能部署在星上难度巨大，需要对UPF保留基础功能，简化次要功能和定制化专用功能。结合国际标准规范和5G商用实际情况，UPF主要提供路由转发、数据和业务识别、协议优化、策略执行、头增强、DNN（Data Network Name，数据网络名）融合、IP地址分配、隧道管理、计费和重定向等功能。针对上星，可考虑简化数据和业务识别、头增强、DNN融合、IP地址分配、计费和重定向等功能，保留路由转发、策略执行和隧道管理等基础功能。面向卫星通信高延迟、高丢包率和误码率的情况，需要增强丢包处理和对拥塞控制机制进行定制化优化。考虑星上网元和资源管理的特殊性，以及需要将星上网元纳入统一网管系统，后续还需定制化星上网元系统配置管理、故障管理和性能管理等网元管理功能。

UPF上星后，与地基5G核心网SMF之间的N4接口消息以及与地面网络管理系统之间的网管接口消息需要经过星地链路进行通信，以实现天/地基核心网业务与管理的协同。对于该链路，需要区分业务和管理平面，提供差异化服务，以减少N4接口业务信息交互与网管接口管理信息交互的相互影响。同时，还需针对5G地基核心网SMF减少对UPF上报事件的要求，简化与UPF之间的心跳检测机制和延长N4接口定时器，以降低天地基核心网协同之间的通信开销。

4 结束语

5G与卫星的互补优势将推动5G与卫星网络走向融合发展，最终构建全覆盖的天地一体化算力网络。考虑5G与卫星现在网络和协议的巨大差异，5G与卫星网络的融合可分为初期、中期和远期等阶段，通过先网络互通、再网络融合逐步进行，从而尽量减少对现有卫星服务和地面5G服务的影响。同时5G与卫星网络的融合发展，需要推动卫星通信产业和5G通信产业在卫星与5G网络融合领域中标准制定、研究、产品开发和落地环节的加强合作。在标准制定上，实现卫星通信标准化组织与5G通信标准化组织的有效协同；在研究上，聚焦5G与卫星网络融合所涉及的统一通信协议体系、统一移动性管理、天/地基网络切换的业务连续性，融合网络端到端QoS和天/地基网络协同组网及资源统一管理等关键领域问题，进行合作技术攻关，形成解决方案；在产品开发上，需基于统一标准和解决方案进行产品创新突破，在应用落地时破除产业壁垒，互利互惠，合作建设部署端到端的5G与卫星融合网络。基于上述举措，面向目前地面5G难以覆盖或覆盖成本高的高空、海洋、海岛、高山和沙漠等区域，通过卫星与5G的网络融合发挥卫星广覆盖和配置灵活的优势，提供丰富多样的5G服务，从而使5G全面走向千家万户和千行百业。